冰的形成是最普遍且最重要的自然現(xiàn)象之一。但是，由于對(duì)許多生物系統(tǒng)的有害影響以及對(duì)某些日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的潛在威脅，因此冰晶有時(shí)非常不受歡迎。在自然界中，抗凍蛋白(AFPs)吸附在冰晶上，通過(guò)冰結(jié)合面(IBF)和非冰結(jié)合面(NIBF)的雙重特性來(lái)抑制冰的生長(zhǎng)。本文提出了一種新的抑制冰生長(zhǎng)的策略，將AFPs的雙重特性整合到仿生二維納米材料中。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，-CH
3和-OH基團(tuán)以一種特殊的有序排列進(jìn)行修飾，比如石墨烯兩面AFPs的冰結(jié)合面，從而構(gòu)建一種仿生衍生物(GR-CH
3-OH-Mimic)。由于GR–CH
3–OH–Mimic對(duì)冰和水具有界面水結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性的雙重特性，該衍生物能有效抑制冰晶的生長(zhǎng)。進(jìn)一步的模擬表明，從GR–CH
3–OH–Mimic到環(huán)氧、羥基改性的石墨烯到胺、羥基改性的石墨烯到羧基改性的石墨烯，對(duì)冰生長(zhǎng)的抑制作用均有所減弱。這個(gè)序列通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)觀察得到了鞏固。
Fig. 1 通過(guò)GR–CH
3–OH–Mimic在冰晶上的穩(wěn)定吸附來(lái)抑制冰的生長(zhǎng)。
Fig. 2 在GR–CH
3–OH-Mimic的界面水對(duì)冰和水的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性的雙重特性。
Fig. 3 MD模擬。
Fig. 4 不同系統(tǒng)的冰生長(zhǎng)速率。
相關(guān)研究成果于2020年由上海大學(xué)Guosheng Shi課題組，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A(DOI: 10.1039/D0TA06421A)上。原文：Suppressing ice growth by integrating the dual characteristics of antifreeze proteins into biomimetic two-dimensional graphene derivatives。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)：
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